Дослідження вітроенергетичної установки – МАНЛаб


Дослідження вітроенергетичної установки

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Провести експеримент відповідно до ходу дослідження.
  3. Визначити ККД вітроенергетичної установки згідно з аналізом даних.
  4. Зробити висновки за результатами дослідження.

Обладнання:

Комплект PHYWE «Відновлювані джерела енергії», джерело постійного струму, крильчатий цифровий анемометр UNI-T UT362, цифровий мультиметр UNI-T UT70А (2 шт.), з’єднувальні провідники, штангенциркуль.

Теоретична частина

Рис. 1. Обладнання для дослідження перетворення енергії вітру на електричну енергію

Рис. 2. Схема електричного навантаження моделі вітроенергетичної установки

 

Одним з перспективних напрямів відновлюваної енергетики є використання енергії вітру з подальшим її перетворенням на електричну енергію за допомогою електричного генератора.

Основними складовими частинами вітроенергетичної установки є ротор та електричний генератор. Ротор перетворює енергію прямолінійного руху повітря на механічну енергію. Генератор перетворює енергію обертального руху ротора на електричну енергію.

Також до складу вітроенергетичних установок входять пристрої для накопичення, стабілізації та перетворення електричної енергії.

Усі вітроенергетичні установки поділяють на установки з горизонтальною та вертикальною осями обертання ротора. Установки з горизонтальною віссю обертання ротора мають більший ККД, але потребують додаткових пристроїв та механізмів для орієнтування за напрямом вітру. Установки з вертикальною віссю обертання більш прості за конструкцією, не потребують пристроїв для орієнтації за напрямом вітру, але мають менші значення ККД.

ККД вітроенергетичної установки визначається як відношення електричної потужності до потужності вітрового потоку, що проходить крізь переріз ротора:

η = (Рел/Nвітр)⋅100 %, (1)

де Рел – електрична потужність вітроенергетичної установки, Вт;

Nвітр – потужність вітрового потоку, що проходить крізь переріз ротора.

Електрична потужність вітроенергетичної установки визначається за формулою:

Рел = Iн⋅Uн, (2)

де Ін – електричний струм у навантажувальному ланцюгу вітроенергетичної установки;

Uн – напруга на затисках електричного генератора вітроенергетичної установки.

Потужність вітрового потоку що проходить крізь переріз площею S, м2, визначається за формулою:

Nвітрρ⋅S⋅v3/2, (3)

де ρ – густина повітря;

S – площа перерізу ротора;

v – швидкість повітря.

Густина повітря за нормальних умов дорівнює 1,84 кг/м3.

Площа перерізу ротора вітроенергетичної установки визначається як площа кола, яке описують його лопатки під час руху:

S = π⋅r2, (4)

де r – радіус лопатки ротора.

Хід роботи

  1. З комплекту PHYWE «Відновлювані джерела енергії» зберіть модель вітроенергетичної установки відповідно до рис. 1.
  2. З того самого комплекту зберіть схему електричного навантаження моделі згідно з рис. 2.
  3. З’єднайте генератор моделі зі схемою електричного навантаження.
  4. До схеми електричного навантаження зібраної моделі підключіть мультиметри: для визначення  напруги – паралельно, струму – послідовно.
  5. З’єднайте вентилятор моделі з джерелом живлення постійного струму.
  6. За допомогою штангенциркуля виміряйте радіус лопатки ротора моделі вітроенергетичної установки та занесіть його до таблиці результатів.
  7. Увімкніть джерело живлення та виставте напругу 12 В.
  8. Переконайтеся в працездатності установки шляхом замикання електричного ланцюга. Під час замикання ланцюга має загорятися електрична лампочка.
  9. Під час роботи установки виміряйте швидкість повітря за допомогою анемометра безпосередньо перед ротором та занесіть результат до таблиці.
  10. Після вимірювання швидкості повітря виміряйте силу струму в електричному ланцюгу та напругу за допомогою мультиметрів.
  11. Розімкніть електричний ланцюг установки та вимкніть джерело живлення.

Аналіз даних

  1. Розрахуйте площу перерізу ротора моделі за формулою (4).
  2. Розрахуйте за формулою (2) значення електричної потужності моделі вітроенергетичної установки.
  3. За формулою (3) визначте потужність вітрового потоку.
  4. За формулою (1) визначте ККД моделі вітроенергетичної установки.
  5. Проаналізуйте отриманий результат та дійдіть висновків щодо того, які фактори впливають на ККД вітроенергетичної установки.

 

Таблиця результатів

r, м v, м/с Uн, В Ін, А S, м2 Рел, Вт Nвітр, Вт η, %